کتاب الکترونیکی سد های خاکی
سد قوسی یك پوسته فضایی است كه در پلان دارای انحنا بوده و بار را به تكیه گاهها و فوندانسیون منتقل می نماید. معمولا قسمت اعظم بارهای ناشی از آب به صورت افقی به تكیه گاهای كناری سد نتقل می گردند كه این امر ناشی از عملكرد قوس می باشد. مابقی بار بوسیله عملكرد كنسول ( نظیر سدهای وزنی) به فوندانسیون كف منتقل می گردد. بنابراین رفتار این نوع سدها اندركنشی از رفتار قوسی نوارهای افقی و رفتار طره ای نوارهای قائم می باشد. تنشهای داخلی سد قوسی به دو دسته تنشهای عمود بر مقطع قائم شعااعی سد ( بعبارتی تنشهای قوسی) و تنشهای عمود بر مقطع افقی سد ( تنشهای طره ای) تقسیم می گردند. با تغییر نرمی و سختی فوندانسیون و جداره میزان باربری عملكرد قوسی و كنسولی تغییر می نمایند. در نتیجه این تغییرات در سختی و نرمی جداره ها و فوندانسیون محل تشكیل تنشهای كششی و در نتیجه ترك در سدهای قوسی تغییر می نماید و با توجه به اینكه در سدها نباید هیچگونه تنشهای كششی ( كه نتیجه آن ترك در سد می باشد) بوجود آید لذا دانستن عملكرد سد در برابر وضعیت مختلف تكیه گاهی بسیار مهم می باشد.
اولین سد قوسی در جهان (سد زولا) در فرانسه در سال 1854 و اولین سد قوسی بلند در جهان(سد هاور) (به اسد رتفاع 221 متر و طول تاج 372 متر) در آمریكا در سال 1936، سدهای قوسی به لطف اضافه ظرفیت باربری منحصر بفرد و خصیصه ی خود- تنظیمی، به وفور مورد توجه مهندسین سد در زمینه ساخت سد در سراسر جهان قرار گرفته اند. در حال حاضر بیش از نیمی از سدهای عظیم ساخته شده در سراسر جهان با ارتفاعی بیش از 200 متر از نوع سدهای قوسی می‌باشند. در نواحی غربی چین گروهی از سدهای قوسی ممتاز جهان با ارتفاعی بیش از 300 متر در دست ساخت بوده و یا ساخته خواهند شد. سد سازی در تمام كشورهای جهان این موضوع را به اثبات رسانیده است، كه هر چه سد بلندتر و مرتفع تر باشد، اهمیت اقتصادی و جنبه های امنیتی آن بیشتر خواهد بود. بطور كلی، سدهای قوسی با مخازن عظیم مانند سد قوسی مالپاست فرانسه، سد قوسی وایونت ایتالیا و غیره ثابت كرده اند كه در صورت فروریزی و خرابی، عواقب این مسئله كاملاً جدی بوده و نه تنها اقتصاد ملی را متحمل زیان قابل توجهی می كنند، بلكه جان و مال مردم را شدیداً به خطر خواهند انداخت. در سال 1959 سد قوسی مالپاست فرانسه به دلیل لغزش بدنه سد بهمراه لایه ی عمیق سنگی شالوده، فرو ریخت كه این اتفاق منجر به مرگ 400 نفر و از دست رفتن سدمایه ی اقتصادی هنگفتی گردید. بنابراین اهمیت بالایی باید به مسائل امنیتی سدهای قوسی داده شود و بررسی‌های عمیقی باید به سمت تنش، تغییر شكل و مكانیزم تخریب در حین بهره برداری از این سدها سوق داده شود و همچنین ارزیابی هایی در ارتباط با ضریب اطمینان سدهای قوسی باید صورت پذیرد..( به این معنی كه فاصله ی بین حالت طراحی شده و حالت تخریبی سد قوسی باید ارزیابی شود). به طور كلی اكثر سدهای قوسی دارای شرایط ژئولوژیكی پیچیده، شرایط محیطی ناسازگار، عدم قطعیت فیزیكی (تصادفی)، پارامترهای مكانیكی و غیره می باشند. تمام این فاكتورها باعث عدم قطعیت در تحقیقات صورت گرفته درزمینه ی امنیت سدهای قوسی شده است. تمام تئوری ها و اهداف حال حاضر دارای هم نقطه ی ضعف و هم نقطه ی قوت بوده كه باید پیشرفت ها و تكمیلات مربوطه به سرعت صورت پذیرد.
اولین سد قوسی در ایران
اولین سدهای ساخته‌شده را می‌توان سدهای وزنی دانست که راست و قائمند و از آجرهای سنگی یا سیمان ساخته می‌شوند تا در برابر نیروی وارده از آب مقاومت کنند. در حدود سال‌های 2750-2950 پیش از میلاد مسیح، مصریان عهد باستان اولین سد شناخته‌شده را ساختند که «سدالکفره» نام دارد. این سد 37 فوت ارتفاع دارد و عرض آن در تاج سد 348 فوت و در قسمت پایینی آن 265 فوت است. بیرون این سد از آجرهای قلوه‌سنگی ساخته شده بود و درون آن را با 100 هزار تن سنگریزه پر کرده بودند. روی آن یک پوشش سنگ‌آهکی نیز برای مقاومت در برابر خوردگی و تاثیر امواج کشیده شده بود. این ساختار احتیاجی به سیمان نداشت چون وزن برشی (Shear) آن برای اطمینان از پایداری‌اش کفایت می‌کرد. با تخمین آبی که در دوران باستان در آنجا وجود داشت می‌توان ظرفیت سد را چیزی حدود 20 میلیون فوت مکعب تخمین زد. این سد بعد از چند سال فرو ریخت و دلیل اصلی آن را لبریز شدن سد از آب و تخریب سریعش می‌دانند. کارگران بیچاره‌ای در این واقعه جان خود را از دست دادند و چون این سد در بین مصریان یک شکست محسوب می‌شد برای مدت‌ها به سراغ چنین کارهایی نرفتند.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری مقاومت:
بر طبق تئوری مقاومت، خرابی یك سد قوسی به جهت ترك های قوسی ایجاد شده براثر تنشهای كششی اضافی، تسلیم شانه و یا بدنه ی سد بر اثر تنش های فشاری اضافی، لغزش بدنه ی صخره‌ای سد در امتداد سازه ی نرم و ضعیف بر اثر تنش های برشی اضافی و... به وقوع می پیوندد. با مقایسه ی مقاومت تحت شرایط محدود شده و اثر بار طراحی می‌توان مشخص نمود، كه آیا سازه به مقاومت تخریبی (مقاومت نهایی) خود رسیده است یا خیر. در كشورهایی مانند ایالات متحده، ژاپن، چین و... رسم بر این است كه ضریب اطمینان مقاومت كششی و فشاری از طریق آنالیز تنش ـ كرش سد قوسی توسط فرایند تقسیم بار تیر قوسی بدست آمده و سپس ضریب اطمینان مقاومت برشی براساس اصل تعادل حد بدنه ی صلب محاسبه شود.
در محاسبات عددی توسط فرآیند المان محدود و...مقیاس مور- كولمب و دراكر ـ پراگر به طور معمول به عنوان میزان تسلیم برای مصالح سنگی خاكی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حالی كه برای بتن مقیاس پارامتری چهارگانه به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرد.
مزایای ضریب اطمینان مقاومت عبارت است: از محاسبات ساده، قرارگیری بر پایه ی سالها تجربه و فعالیت مهندسین سد، متداول در بین مهندسین و متخصصین سد و همچنین قابلیت انطباق با ضرائب اطمینان مجاز مشخص شده در كشورهای مختلف. مشكل این راه حل آن است كه نارسایی مقاومت موضعی ممكن نیست باعث تخریب كلی سد قوسی شود و تنها زمانی كه سطح تماس لغزش، یك صفحه و یا یك قوس دایروی باشد و از قبل داده شده باشد، می‌توانیم یك نتیجه ی محاسباتی منطقی ازضریب اطمینان تنش برشی بدست آوریم. به علاوه روش تئوری مقاومت، بدنه، شانه و شالوده ی سد را به عنوان یك تسلیم جامع و كلی در نظر نمی‌گیرد. برای كامل كردن فرآیند آنالیز ضریب اطمینان مقاومت، بسیاری از دانشجویان از جنبه‌های مختلف به تحقیق پرداخته‌اندسان مینگ كووان، ژانگ جینگ جیان و… ضریب اطمینان نقطه ای را بررسی و پیشنهاد كرده‌اند. چنجیان پینگ، وانگ لیانكوی و… تأثیر و طول ترك ها را بر روی تخریب سدهای قوسی مورد مطالعه قرار داده و یك مقدار بحرانی را برای ترك و طول ترك ها پیشنهاد كرده اند. چن جین، هووانگ وی و… تحلیل هایی را بر روی اندازه سطح ترك خورده انجام داده و فرضیه ی سطح ترك را پیشنهاد كرده و دامنه ی بحرانی را نیز به دست آورده‌اند. تمام تحقیقات و مطالعات فوق الذكر به مفاد آنالیز تئوری مقاومت سدهای قوسی‌اضافه شده است. با این وجود قبول و انتخاب این مفاهیم نیازمند مطالعات بیشتری می باشد.
بررسی ایمنی سدهای قوسی توسط تئوری پایداری:
طبق مكانیك سنتی، هیچ گونه مشكل پایداری وجود ندارد، و لغزش سد قوسی درامتداد سطح تماس فونداسیون، ناپایداری شانه های سد، و لغزش بلوك سنگی درامتداد سطح تماس سازه، همگی مرتبط با تخریب مقاومتی می باشند. اما با توجه به تعریف پایداری كینماتیك، هر گونه تغییر در یك حالت و یا یك شیئ، یك حركت به حساب آمده و موضوع پایداری مطرح می‌شود. زمانی كه تمام بدنه سد به دلایل مختلف درحالت پایداری محدود شده به سر می‌برد، تنها یك آشفتگی جزئی باعث انحراف سد ازحالت تعادل اولیه خود شده و باعث تخریب غیر قابل بازگشت می‌شود. با توجه به این اصل كه زمانی كه تخریب كامل سد قوسی اتفاق می‌افتد، حالت سكون سد به حالت قابل حركت تغییر می‌كند، رن دینگ ون با توجه به منبع مطالعات تغییر حالت سیستم، پیشنهاد كرد كه تخریب كامل سدهای قوسی ممكن است در ارتباط باپایداری باشد. اما بر خلاف ناپایداری كمانشی، این نوع ناپایداری مربوط به ناپایداری حد نقطه‌ای بوده و شاخص تعیین كننده ی امنیت سد قوسی همان اتكاء سد می باشد. با توجه به تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با ناپایداری سد قوسی تا هم اكنون‌هیچگونه پیشرفتی نه بر پایه ی تئوری مكانیكی دقیق حتی به شكلی ساده و عملی‌صورت نگرفته است. در حال حاضر، پیشرفت‌هایی در زمینه‌های تحقیقاتی در ارتباط با پایداری كلی سد قوسی به قرار زیر صورت گرفته است: روش اضافه بار، ذخیره ی مقاومت، روش تركیبی اضافه بار و ذخیره ی مقاومت و غیره.
ـ روش اضافه‌بار
طبق این روش با فرض ثابت بودن پارامترهای مقاومت مصالح و تحت عمل تركیبی بارهای عملی نرمال، بار افقی با افزایش حجم مخزن (بالاتر رفتن تراز آب) تا آنجا افزایش می‌یابد، كه ناپایداری و تخریب سد قوسی واقع شود. ثابت اضافه بار عبارت است از نسبت بار تخریبی به بار قائم (نرمال)، ضریب اطمینان اضافه بار غالباً بسیار بالا بوده و می‌تواند به روش مدلسازی ژئومكانیكی و یاشبیه سازی حسابی بدست آید. با این حال در عین فعالیت طبیعی سد قوسی اضافه‌بار بیش از اندازه بسیار غیر محتمل می باشد، بعلاوه، اثر عواملی همچون پی سنگی، خوردگی، نشست و قلیایی شدن مصالح سازه‌ای به دلیل وجود آب بر روی مقاومت در نظر گرفته نشده است ( الالخصوص ناحیه ی ضعیف پی سنگی ).بهر حال، خطر واقعی به خاطرتشدید بار نمی باشد، بلكه بخاطر كافی نبودن مقاومت مصالح می باشد.
ـ روش ذخیره ی مقاومت
بر طبق این روش، تحت شرایط عدم تغییر بارعمودی، مقاومت بدنه سد و پی سنگی به تدریج كاهش می‌یابد، تا زمانی كه ناپایداری و تخریب سد قوسی وقوع یابد و ضریب ذخیره ی مقاومت عبارت است از تعداد دفعات كاهش نیمه. با این حال، در این روش به تعدادی مدل نیاز است. به طور كلی این آزمایش بر طبق اصل تعادل انجام می‌شود، بدین معنا كه به جای ثابت نگه داشتن بار خارجی و كاهش تدریجی مقاومت مصالح، مقاومت مصالح ثابت نگه داشته می‌شود وهمزمان بار خارجی و بار مرده ی خود سد افزایش می‌یابد، تا آنجا كه تخریب صورت پذیرد. برای آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت معادل، مشكل اساسی كه همزمان بودن افزایش بار خارجی پی سنگی و بدنه ی سد می باشد باید حل گردد
گو چونماو، گونگ ژاوزیاگ و… بر طبق اصل ارضاء تشابه مدل فیزیكی و با استفاده از دستگاه گریز ازمركز* بعنوان دستگاه بارگذاری و جایگزین كردن میدان ثقلی با میدان نیروی گریز از مركز، متوجه ی افزایش همزمان بار خارجی پی سنگی و بدنه سد شدند و آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت معادل را بر روی یك مدل انجام دادند. نتیجه آزمایش نشان داد كه گرایش بزرگی تنش و بزرگی تنش های كششی و فشاری به طور اساسی به سمت قانون عمومی می باشد. برای انجام آزمایش به روش ذخیره ی مقاومت بر روی یك نمونه، نیاز به ایجاد مصالح جدیدی می باشد كه بتواند تغییرتدریجی مقاومت برشی پی سد، سطح نرم و ضعیف سازه بر روی پی سنگی را آشكار ساخته و همچنین تكنیك های آزمایش را پاسخ گو باشد.
لو جینچی، لی چاووگو و... بعد از سالها بررسی “ مصالح با تغییرات مشابه دما“ را توسعه داده اند كه برای مدلسازی گسل های بین لایه‌ای و بدنه های صخره ای قابل استفاده می‌باشد. این مصالح از بلنك فیكس*، روغن موتور، مصالح و مخلوطهای حل شدنی پلیمری كه به میزان معینی با هم تركیب شده‌اند، ساخته شده است. در حین آزمایش با افزایش دما، مقاومت مصالح بتدریج كاهش می‌یابد. با وجود اینكه ضریب ذخیره ی مقاومت یك تصویر واضح را ارائه می كند، اما علت اصلی تخریب سد قوسی نمی‌باشد. بنابراین كاهش مقاومت به نسبت نامساوی منطقی تر می باشد و فرآیند تضمین برابراغلب مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ـ روش ترکیبی
تخریب یک سد قوسی تنها به دلیل اضافه بار و یا کاهش مقاومت مصالح نیست، بلکه به دلیل اثر توامان دو فاکتور مذکور است. بر طبق روش ترکیبی، با ترکیب کردن اضافه بار با ذخیره مقاومت، زمانی که سد قوسی به یک ضریب اضافه‌بار مشخصه می‌رسد، مقاومت باید به اندازه آن مرتبه کاهش داشته شود، که باعث تخریب سد قوسی می‌شود روش ترکیبی از لحاظ تئوری معقول می‌باشد، اما عملکرد واقعی نسبتا کامل شده باشد. خصوصا هیچگونه استاندارد استواری در ارتباط با اینکه تا چه اندازه باید اضافه بار ایجاد شود، قبل از اینکه مقاومت مصالح کاهش پیدا کند، وجود ندارد. در حال حاضر، مطالعه کلی تخریب ناپایداری تنها توسط آزمایش‌های مدل هندسی صورت می‌پذیرد و موفقیت‌هایی در شبیه‌سازی کامپیوتری و محاسبات عددی روند خرابی سدهای قوسی صورت پذیرفته است.
در جهت شناسایی طرح مهندسی بر پایه آنالیز پایداری سیستماتیک باید صورت پذیرد، مخصوصا برای بررسی و حل یک سری از مشکلات تکنیکی و تئوریکال مانند روش آنالیز پایداری سیستماتیک، تکنیک آنالیز شبکه احتمال کاربردی، سیستم تصمیم‌گیری، پارامترهای آماری قانون و توزیع و غیره.
تئوری‌های دیگری در زمینه ارزیابی ایمنی سد قوسی :
عده‌ای از پژوهشگران معتقدند که تخریب یک سد و توده سنگی به دلیل گسترش مستمر ترک‌های ایجاد شده بر اثر تجمع دائمی آسیب اولیه است و بنابراین فرایند‌های مکانیک آسیب و مکانیک شکست را می‌توان برای مطالعه تخریب سدهای قوسی انطباق داد. هوانگ یون و دیگران پایداری و تمایل گسترش ترک‌های پاشنه سد در طرف بالا دست سدهای قوسی را به کمک فرایند المان شکست سه بعدی و تئوری فاکتور تراکم انرژی کرنش حداقل مورد مطالعه قرار داده و متوجه شده‌اند که شکافتن بر اثر آب، فاکتور اصلی در جهت انتشار ترک‌های ابتدایی است. پژوهشگران دیگر به سد قوسی به عنوان یک سیستم دینامیکی توجه کرده و خرابی را از نقطه نظر تغییر شکل غیر خطی مورد بررسی قرار داده‌اند. زمانی که تخریب تجمعی و تغییر شکل سیستم سد قوسی از بی‌نظمی به انتظام گسترش می‌یابد، خرابی کلی در حال صورت پذیرفتن است. طبق بررسی‌های صورت گرفته در زمینه علل خطاهای صورت گرفته در سد دو قوسی «کن» واقع در اتریش، لومبادری متخصص و مهندس سد سوئیسی، نظریه ضریب لاغری سدها را در سال ۱۹۸۶ بیان و منحنی لومبادری را ارائه کرد، این منحنی یک خط صاف است که تنها بستگی به ارتفاع سد دارد. رن کویینگ ون و دیگران شکل و علل ایجاد این منحنی آسیب را به کمک تئوری پایداری کمانشی و مقاومت بدنه سد مورد مطالعه قرار داده و پیشنهاد کردند که منحنی لومبادری به دو دسته تقسیم شود: دسته اول هذلولی‌هایی با در نظر گرفتن مقاومت بتون بدنه سد به عنوان پارامتر می‌باشند، که بستگی به ارتفاع سد و مقاومت بتون بدنه سد دارند، دسته دوم منحنی‌های توانی می‌باشند، که بستگی به کمانش بدنه سد دارند، به این معنا که بستگی به مدول الاستیسیته بتون بدنه سد، ارتفاع سد و ... دارند.
نتیجه‌گیری
خصوصیاتی از قبیل ذخیره سرمایه‌گذاری، ظرفیت باربری و ایمنی بالا، باعث شده است که سدهای قوسی، مخصوصا سدهای بلند قوسی مورد توجه تمام کشورهای جهان قرار گیرند. سدهای قوسی به طور فزاینده‌ای بلندتر ساخته می‌شوند و شالوده‌ها نیز به طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر می‌شوند. شرایط ژئولوژیکی پیچیده و متغییر، به همراه تلفات سنگین در صورت تخریب سدهای قوسی، دانشمندان را بر آن داشته تا به بررسی و حل مشکلات تکنیکی ساخت سدهای قوسی بپردازند. شکافتن و تسلیم شدن به دلیل تنش موضعی بیش از حد پاسخ طبیعی هر سد قوسی است. بی‌شک قبل از تخریب سد قوسی، یک فرایند شکافت و تسلیم به وجود می‌آید و در طی این فرایند پتانسیل سد قوسی پایدار مانده و بنابراین کارکرد ایمنی ادامه می‌یابد.
بنابراین بررسی عملکرد و مکانیسم سدهای قوسی در طی فرایندی که از تسلیم موضعی مقاومت شروع و تا تخریب کامل سد به طول می‌انجامد، بسیار لازم و ضروری است. در بعضی کشورها مانند چین معتقدند که از تئوری پایداری سازه باید در طراحی سدهای قوسی استفاده شود. با این وجود، در ارزیابی حال حاضر، پایداری سدهای قوسی به کمک تئوری پایداری، توابع و عملکردهای انتخاب شده بیشتر براساس خصوصیات تخریب مقاومت سدهای قوسی بوده و آنچه در حال حاضر در حال بررسی است، همچنان پایداری موضعی است. یکی از مباحث عمده در مطالعات آینده چگونگی انتخاب متغیرهای تصادفی به گونه‌ای است که منعکس کننده حالت سیستم سد قوسی به عنوان متغیرهای اصلی برای آنالیز پایداری کلی سدهای قوسی باشد. با وجود اینکه موفقیت‌های چشمگیری در زمینه بررسی پایداری لغزشی سدهای قوسی در طول سطح تماس شالوده و همچنین در زمینه ناپایداری بدنه سنگی شانه سد به کمک تئوری پایداری جنبشی صورت پذیرفته است، اما اجزای یک سد قوسی شامل بدنه و شانه سد و شالوده سنگی و تغییر شکل‌هایشان بر روی هم اثر متقابل گذاشته و جدانشدنی است. بنابراین در نظر گرفتن بدنه و شانه سد و شالوده سنگی به عنوان یک مجموعه واحد جهت بررسی مکانیسم خرابی سدهای قوسی ارزش بررسی را داشته و یک معیار ناپایداری کلی را به دست داده و ایمنی کل سد را مشخص می‌سازد. بدنه سدهای قوسی و مصالح فوندانسیون که اغلب بتونی، سنگی و خاکی است جزء مصالح با کشش پایین و یا غیرکششی است. در حال حاضر، معیارهای تسلیم مور- کولمب و دراکر- پراگر و معیار چهار پارامتری به طور معمول مورد پذیرش مصالحی مانند مصالح سنگی- خاکی و بتونی می‌باشد. تفاوت عمده‌ای بین نسبت‌های تنش- کرنش اندازه‌گیری شده سدهای قوسی و روابط مذکور وجود دارد. از لحاظ اقتصادی این موضوع عملی نیست که به طول نامحدودی نقاط اندازه‌گیری شالوده سد را برای بررسی مدل ساختمانی مصالح افزایش دهیم. در عوض، بسیار واقع‌بینانه و منطقی است که یک مدل ساختمانی از مصالح افزایش دهیم. در عوض، بسیار واقع‌بینانه و منطقی است که یک مدل ساختمانی از مصالح براساس اطلاعات اندازه‌گیری شده صریح به کمک فرایند آنالیز معکوس و یا تکنیک تطبیق شبکه عصبی به دست آوریم. به لطف خصوصیاتی مانند مخارج پایین آزمایش کردن، غیر تخریبی بودن و ... تکنولوژی اندازه‌گیری مایکروویو و تکنولوژی بررسی لیزری، در ارزیابی ایمنی سدهای قوسی کاربردهای وسیعی پیدا کرده‌اند. اطلاعات نشان دهنده آن است که کاربی بیش از ۳۰ درصد از سدهای قوسی متناقض با کاربردهای پیش‌بینی توسط الگوهای طراحی است. در حین مطالعه ایمنی طراحی سدهای قوسی، لازم است که بررسی‌ها را معطوف به ایمنی کارکرد واقعی سدهای قوسی کنیم.
دانلود پروژه اي در زمينه سد هاي خاكي با نرم افزار plaxis 
معرفی کتاب : محاسبه نرم در مهندسی منابع آب